葉綠素家族概述

王修順 李 杰 邱念偉*

(1山東省曲阜師范大學生命科學學院 273165； 2山東省曲阜師范大學附屬中小學 273165)

1 葉綠素家族的成員及結構

葉綠素(chlorophyll)家族種類較多，主要分為葉綠素a、b、c、d、f、原葉綠素、細菌葉綠素、去鎂葉綠素等8種類型，其共同結構特征是含有卟啉環(huán)結構，這種共同結構決定它們在光合作用中具有類似的功能。不同葉綠素成員的結構又存在明顯差異，以使不同的光合生物適應不同的生活環(huán)境。根據(jù)葉綠素結構的相似性，將葉綠素分類如下。

1.1 葉綠素a和葉綠素b 葉綠素a和葉綠素b的分子結構(相關結構圖見文后二維碼)都是由“頭部”卟啉環(huán)和“尾部”葉綠醇(20個碳原子)組成。卟啉環(huán)是由四個吡咯環(huán)和四個甲烯基(=CH—)連接成的一個大環(huán)，鎂原子居于卟啉環(huán)的中央，鎂帶正電荷，而與其相連的氮原子帶負電荷，故“頭部”是親水的；葉綠醇則以酯鍵與第Ⅳ吡咯環(huán)側(cè)鏈上的丙酸相結合，葉綠醇由四個異戊二烯單位組成，故“尾部”是親脂的。葉綠素a和葉綠素b的區(qū)別在于前者的第Ⅱ吡咯環(huán)上是一個甲基(—CH3)，后者的甲基被醛基(—CHO)取代[1]。

1.2 葉綠素c 與葉綠素a和葉綠素b的分子結構不同，葉綠素c只具有“頭部”(卟啉環(huán))，沒有“尾部”(葉綠醇)，而且其卟啉環(huán)IV環(huán)側(cè)鏈的C-171—C-172連接鍵是碳碳雙鍵(C=C)[2]。葉綠素c目前已發(fā)現(xiàn)了3個成員，分別是葉綠素c1、葉綠素c2和葉綠素c3[2～4]，其結構區(qū)別如下：葉綠素c1與葉綠素c2的分子結構的區(qū)別在于前者第Ⅱ吡咯環(huán)上是乙基(—CH2CH3)，而后者是乙烯基(—CH=CH2)。葉綠素c3又稱為7-甲氧甲酰基-葉綠素c2，是葉綠素c2卟啉環(huán)C-7上的甲基(—CH3)被甲氧甲?；?—COOCH3)取代形成的(相關結構圖見文后二維碼)。

1.3 葉綠素d和葉綠素f 葉綠素d和葉綠素f均與葉綠素a具有相似的分子結構，葉綠素a的第Ⅰ吡咯環(huán)上的乙烯基(—CH=CH2)被醛基(—CHO)取代后，即成為葉綠素d[5]；葉綠素a的第Ⅰ吡咯環(huán)上的甲基(—CH3)被醛基(—CHO)取代后，即成為葉綠素f。所以葉綠素a、葉綠素d和葉綠素f的結構差異主要表現(xiàn)在第Ⅰ吡咯環(huán)的側(cè)鏈上。葉綠素f與葉綠素b為同分異構體，只是醛基的位置不同。上世紀50年代前蘇聯(lián)科學家曾在其論著中提到一種稱為葉綠素e的葉綠素，但葉綠素e的特征并不明確，化學結構和功能還不確定，并未得到科學界公認，為了區(qū)別葉綠素e，故2010年新發(fā)現(xiàn)的葉綠素被命名葉綠素f[6](相關結構圖見文后二維碼)。

1.4 原葉綠素(protochlorophyllide) 原葉綠素也稱為原脫植基葉綠素a。與葉綠素a的分子結構相比較，原葉綠素只具有“頭部”(卟啉環(huán))，缺少“尾部”(葉綠醇)[7]。原葉綠素與葉綠素c1的分子結構極為相似，兩者的區(qū)別在于原葉綠素C-171—C-172位置處的連接鍵是碳碳單鍵(C-C)，而葉綠素c1是碳碳雙鍵(C=C)。原葉綠素的第IV吡咯環(huán)被還原后，變成脫植基葉綠素a (chlorophyllide a)，脫植基葉綠素a是所有葉綠素合成的前體物質(zhì)[7](相關結構圖見文后二維碼)。

1.5 細菌葉綠素(bacteriochlorophyll) 細菌葉綠素是光合細菌特有的光合色素，目前已發(fā)現(xiàn)a、b、c、d、e、f、g等多個成員。根據(jù)卟啉環(huán)上被還原的吡咯環(huán)數(shù)目，細菌葉綠素可分為兩類：細菌葉綠素a、b和g有2個被還原的吡咯環(huán)(II、IV)，細菌葉綠素c、d、e和f有1個被還原的吡咯環(huán)(IV)[8～10]。另外，各種細菌葉綠素卟啉環(huán)上的側(cè)鏈也有所區(qū)別，如細菌葉綠素a和b極為相似，區(qū)別僅在于前者的卟啉環(huán)C-8側(cè)鏈為乙基(—CH2CH3)，而后者是亞乙基(=CH-CH3)。細菌葉綠素c、d、e、f也非常相似，c和d、e和f這兩對葉綠素的區(qū)別均是前者卟啉環(huán)C-20上多了一個甲基(—CH3)；c和e、d和f這兩對葉綠素的區(qū)別均是前者卟啉環(huán)C-7側(cè)鏈是一個甲基(—CH3)，后者中甲基被醛基(—CHO)取代。細菌葉綠素g的卟啉環(huán)與細菌葉綠素a、b相似；但尾部與細菌葉綠素c、d、e、f相同，比細菌葉綠素a和b的尾部少了5個碳原子，變成了15C的法尼醇。各類細菌葉綠素間的其他結構區(qū)別不再贅述(相關結構圖見文后二維碼)。

1.6 去鎂葉綠素(pheophytin) 葉綠素卟啉環(huán)中均含有1個Mg2+，Mg2+較為活躍，容易被H+取代，形成去鎂葉綠素[11]。在酸性環(huán)境中，所有葉綠素的Mg2+都容易被H+取代，形成相應的去鎂葉綠素(相關結構圖見文后二維碼)。

2 葉綠素的性質(zhì)、功能及分布

2.1 葉綠素a和葉綠素b 葉綠素a的化學式為C55H72O5N4Mg，分子量為893.48，藍綠色，無氣味，熔點152.3℃，不溶于水，易溶于乙醇、石油醚、丙酮、三氯甲烷、二甲基亞砜等有機溶劑。主要吸收紅光和藍紫光，在90%丙酮中吸收峰分別為430 nm和 664 nm。葉綠素a是大多數(shù)光合生物所必需的(部分厭氧光合細菌除外)，光合生物通過葉綠素a吸收紅光和藍紫光獲取能量。葉綠素a還是光系統(tǒng)反應中心上能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化成電能的唯一色素，并參與光合作用電子傳遞[1]。

葉綠素b的化學式為C55H70O6N4Mg，分子量為907.46，黃綠色，無氣味，熔點125℃，易溶于各類有機溶劑，也主要吸收紅光和藍紫光，但其在藍光區(qū)的吸收波峰比葉綠素a變長，而在紅光區(qū)的吸收波峰比葉綠素a變短。在90%丙酮中吸收峰分別為460 nm和647 nm。葉綠素b主要存在于高等植物、綠藻、眼蟲藻和管藻中，是植物進行光合作用的重要色素之一。在植物中，光系統(tǒng)II周圍的聚光天線中含有豐富的葉綠素b，在陰生植物的葉綠體中，光系統(tǒng)II與光系統(tǒng)I的比例增大，使葉綠素b與葉綠素a的比值升高，從而使陰生植物吸收的光譜范圍增大。

2.2 葉綠素c 葉綠素c為藍綠色，主要吸收紅光和藍紫光，與葉綠素a和b相比，其在紅區(qū)的光吸收峰波長更短，在藍區(qū)的光吸收峰則在兩者之間。葉綠素c是在某些海洋藻類中發(fā)現(xiàn)的一種葉綠素類型，主要存在于硅藻、甲藻、褐藻和鹿角藻中[3]。與葉綠素a和葉綠素b一樣，葉綠素c有助于有機體聚集光能，通過聚光天線將激發(fā)能傳遞到光合反應中心。

葉綠素c1的化學式為C35H30O5N4Mg，分子量為610.94，在90%丙酮中吸收峰分別為442 nm和 630 nm。但在乙醚和丙酮中會出現(xiàn)3個吸收峰，分別為444、577、626 nm和447、579、629 nm[12]。葉綠素c2的化學式為C35H28O5N4Mg，分子量為608.92，在90%丙酮中吸收峰分別為444 nm和630 nm。在乙醚和丙酮中的3個吸收峰分別為447、580、627 nm和450、581、629 nm[12]。葉綠素c3的化學式為C36H28O7N4Mg，分子量為652.93。在乙醚和丙酮中的3個吸收峰分別為452、585、625 nm和452、585、627 nm[12]。

2.3 葉綠素d和葉綠素f 葉綠素d為黃綠色，化學式為C54H70O6N4Mg，分子量為895.5。葉綠素d主要存在于海洋紅藻和藍細菌中[5]，與葉綠素a、b、c相比，葉綠素d能吸收更長波長的遠紅光和更短波長的藍光，由于遠紅光在水中的透射性強，所以含有葉綠素d的生物體適合于中等深水的環(huán)境中生活，那里盡管沒有大量的可見光，但它們可以利用遠紅光進行光合作用。葉綠素d在90%丙酮中吸收峰分別為401 nm，455 nm和696 nm。葉綠素f也呈黃綠色，化學式為C55H70O6N4Mg，分子量為907.46。葉綠素f是最近新發(fā)現(xiàn)的一種葉綠素，存在于澳大利亞鯊魚灣的一種藍細菌中，它的吸收光譜可以延伸到近紅外光的范圍內(nèi)[6]，可利用的光能范圍更寬，使層疊石內(nèi)幾乎不可能接受可見光的藍細菌也能進行光合作用。

2.4 原葉綠素 原葉綠素是無色的，化學式為C35H32O5N4Mg，分子量為612.96，主要吸收近紅光和藍紫光，具有較強熒光性，用藍光照射下，積累原葉綠素擬南芥突變體會發(fā)出紅色熒光[7]。原葉綠素在黃化植物幼苗中含量較高，其與蛋白質(zhì)結合，吸收光能，被還原成脫植基葉綠素a (chlorophyllide a)，脫植基葉綠素a是所有葉綠素合成的前體物質(zhì)，呈橄欖綠色。在被子植物中，催化此步反應的原葉綠素氧化還原酶(POR)是需光性的，如果生長在黑暗環(huán)境中，植物就會逐漸褪去綠色，形成白化苗。在裸子植物、藻類和光合細菌中含有一種不依賴光的原葉綠素氧化還原酶(DPOR)，可以使此類生物體在黑暗環(huán)境中也能合成脫植基葉綠素a，使植物葉片呈現(xiàn)綠色。在高等植物中，脫植基葉綠素a第IV吡咯環(huán)上的丙酸與植醇(亦稱葉綠醇)酯化，形成葉綠素a，然后再由葉綠素a演變成葉綠素b。

2.5 細菌葉綠素 細菌葉綠素已發(fā)現(xiàn)a、b、c、d、e、f、g等7種類型，存在于各類光合細菌中，能夠吸收波長更長的紅光和更短波長的近紫外光。每種細菌葉綠素都有固定的光吸收峰，吸收波長范圍在350～1050 nm，能夠利用高等植物或綠藻不能吸收的光能進行光合作用[9]。如細菌葉綠素a在乙醇中的最大吸收波長分別為367 nm和770 nm，細菌葉綠素b則分別為373 nm和795 nm。

2.6 去鎂葉綠素 去鎂葉綠素呈褐色，植物體中去鎂葉綠素含量較少，只在光系統(tǒng)II(PSII)的反應中心上結合著1個去鎂葉綠素，參與光合作用電子傳遞，是第一個電子傳遞受體。葉綠素脫鎂后吸收峰波長變長。例如，葉綠素a和葉綠素b在酸性條件下脫鎂后，在90%丙酮中的紅光區(qū)吸收峰波長為665 nm[11]。

葉綠素是自然界中最重要的化合物之一，通過對上述各類葉綠素的結構、功能和化學性質(zhì)的系統(tǒng)比較，有助于對葉綠素進行全面了解，并為葉綠素相關研究提供基本參考資料。

葉綠素家族結構圖請掃描二維碼